專利名稱：運(yùn)動(dòng)姿態(tài)捕捉系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的數(shù)據(jù)采集，具體是運(yùn)動(dòng)姿態(tài)捕捉系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
三維動(dòng)態(tài)/靜態(tài)模擬仿真在數(shù)字化的今天顯得越來(lái)越重要，動(dòng)畫、影視和游戲的角色模型動(dòng)態(tài)仿真制作若再使用實(shí)物建模或手工繪制顯然不適應(yīng)潮流，效率低下，工作量大，成本高。隨著人們對(duì)角色模型動(dòng)作仿真的要求越來(lái)越高，對(duì)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的效率、使用的方便性、精度和成本的要求也越來(lái)越來(lái)越高，這就要求該系統(tǒng)向低成本、簡(jiǎn)單易用、高精確度和高效率等方向發(fā)展。動(dòng)作捕捉系統(tǒng)被越來(lái)越多地應(yīng)用于動(dòng)畫，影視和游戲的三維動(dòng)態(tài)模擬仿真制作當(dāng)中，而三維動(dòng)態(tài)模擬仿真已成為三維制造行業(yè)的主力軍。
在國(guó)際上，特別是科技發(fā)達(dá)的美國(guó)，角色模型動(dòng)態(tài)仿真早已發(fā)展起來(lái)，在美國(guó)的動(dòng)畫電影、科幻電影和游戲中均有體現(xiàn)，且已達(dá)到了一定的水平。通過(guò)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)可以非常方便實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者所要求角色模型所要做的動(dòng)作，只需在電腦中建立好角色模型，再將動(dòng)作捕捉系統(tǒng)安裝在演員的身上，讓演員做設(shè)計(jì)者所要求的動(dòng)作，再將動(dòng)作捕捉系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)三維動(dòng)畫制作軟件導(dǎo)入到角色模型中，角色模型便會(huì)做出和演員一樣的運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫。從而可快速方便地實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)模擬仿真，降低了成本，節(jié)省了時(shí)間。
目前的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)主要有三類:1、通過(guò)光學(xué)原理實(shí)現(xiàn)，但這種系統(tǒng)受條件和環(huán)境因素影響，對(duì)光的變化極為敏感，且系統(tǒng)的操作也較復(fù)雜。如前面所述，易受環(huán)境影響，使用易受限制；2、通過(guò)聲學(xué)原理，這種方法也不是很理想，抗干擾能力差，系統(tǒng)操作復(fù)雜，不好地實(shí)現(xiàn)；3、通過(guò)機(jī)械傳感器實(shí)現(xiàn)，此種方法簡(jiǎn)單可行，算法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也較前兩者簡(jiǎn)單，且不受環(huán)境地理因素影響，系統(tǒng)操作也較為方便，但目前該方式在三維效果、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性、流暢性和逼真性等方面有待改進(jìn)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)捕捉系統(tǒng)，它可以不受環(huán)境因素的影響，能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)捕捉人、動(dòng)物和物體的動(dòng)作姿態(tài)，計(jì)算機(jī)可直接利用該系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)，提升了動(dòng)畫的質(zhì)量，使效果更逼真。可服務(wù)于動(dòng)漫、影視和游戲的角色模型等動(dòng)態(tài)仿真，以及人、動(dòng)物和物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的科學(xué)研究。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案: 所述運(yùn)動(dòng)姿態(tài)捕捉系統(tǒng)，包括多個(gè)測(cè)量運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的傳感器和用于處理姿態(tài)數(shù)據(jù)的上位機(jī)，其中:慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊通過(guò)USART通信電纜與主控模塊雙向連接，主控模塊與上位機(jī)無(wú)線雙向連接，電源管理模塊分別連接慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊和主控模塊。
進(jìn)一步，慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊通過(guò)USART通信電纜連接主控模塊中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)集合以及節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理模塊和人體姿態(tài)數(shù)據(jù)整合模塊。
為了更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，上述的慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊中，姿態(tài)測(cè)量中央處理器集成內(nèi)部FLASH參數(shù)讀取裝置、內(nèi)部參數(shù)校準(zhǔn)裝置、上位機(jī)指令讀取裝置、定時(shí)器、信號(hào)采集與濾波處理裝置、數(shù)據(jù)融合與姿態(tài)解算裝置、USART通信接口，內(nèi)部FLASH參數(shù)讀取裝置依次連接著內(nèi)部參數(shù)校準(zhǔn)裝置、定時(shí)器、信號(hào)采集與濾波處理裝置、數(shù)據(jù)融合與姿態(tài)解算裝置、USART通信接口，USART通信接口之后的上位機(jī)指令讀取裝置接入內(nèi)部參數(shù)校準(zhǔn)裝置，三軸磁場(chǎng)傳感器、六軸加速度與角速度傳感器均接入姿態(tài)測(cè)量中央處理器的信號(hào)采集與濾波處理裝置。其中姿態(tài)解算最好采用慣性捷聯(lián)姿態(tài)解算，濾波處理最好采用卡爾曼濾波算法。
為了傳輸數(shù)據(jù)，上述的三軸磁場(chǎng)傳感器、六軸加速度與角速度傳感器均連接姿態(tài)測(cè)量中央處理器的A/D轉(zhuǎn)換接口。
上述的主控模塊中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)集合以及節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理模塊之后連接節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合模塊，人體姿態(tài)數(shù)據(jù)整合模塊分別與節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合模塊、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議模塊雙向連接，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議模塊與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊I雙向連接。
本發(fā)明中，上位機(jī)中與主控模塊無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊I無(wú)線雙向連接的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊2雙向連接運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)解釋模塊，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)解釋模塊與上位機(jī)管理系統(tǒng)雙向連接。
進(jìn)一步，為了使本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)捕捉系統(tǒng)更好地工作，獲得更加逼真流暢準(zhǔn)確的三維效果，本發(fā)明的上位機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)置上位機(jī)管理系統(tǒng)主界面及分別與之鏈接的: 關(guān)鍵部位安裝位置設(shè)定子系統(tǒng)； 傳感器校準(zhǔn)子系統(tǒng)； 傳感器靈敏度設(shè)置子系統(tǒng)； 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)記錄子系統(tǒng)； 虛擬人物動(dòng)作展示子系統(tǒng)。
本發(fā)明中，慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊主要放置在人體的主要關(guān)鍵部位:在人體的左踝、右踝、左膝、右膝、左手腕、右手腕、左肘、右肘、頸部和腰關(guān)節(jié)處。慣性姿態(tài)傳感器模塊(主要是各個(gè)傳感器)的放置方向可以根據(jù)實(shí)際的接線方式，可以進(jìn)行不同的放置，但是需要在在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)集合以及節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理中設(shè)置，否則在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤的動(dòng)作。
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)集合以及節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理模塊接收各個(gè)慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊的數(shù)據(jù)，將各個(gè)傳感器的安裝方向進(jìn)行設(shè)置，校準(zhǔn)各個(gè)傳感器模塊的輸出是否正確，并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理，標(biāo)注每一個(gè)關(guān)鍵部位傳感器模塊的數(shù)據(jù)，以便節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合。
電源管理模塊至關(guān)重要，電源的穩(wěn)定性直接關(guān)系到傳感器數(shù)據(jù)的正確性，如果電源的輸出文波太大，直接影響了整個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)捕捉系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，本電源管理模塊采用16V鋰電池供電，鋰電池的容量為4000毫安時(shí)，設(shè)置了開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)，保證了轉(zhuǎn)換精度和實(shí)時(shí)性。
人體姿態(tài)數(shù)據(jù)整合模塊把各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，根據(jù)人體的運(yùn)動(dòng)方式，計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)的主要運(yùn)動(dòng)方向、速度和方式，并建立立體空間XYZ三維坐標(biāo)系統(tǒng)，隨著人體的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方式和路線。同時(shí)也對(duì)人體各個(gè)主要關(guān)鍵部位放置的慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊的原始數(shù)據(jù)和融合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，確定三個(gè)軸向數(shù)據(jù)的正確性。
節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合模塊:標(biāo)注了節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)由于是慣性器件，存在一些噪聲，那些在節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合中，需要用軟件濾波將所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方式，本過(guò)程就是利用卡爾曼濾波將采集到信號(hào)中的干擾信號(hào)和雜音進(jìn)行過(guò)濾，并且將失真的信號(hào)還原，得到符合人體姿態(tài)測(cè)量要求的信號(hào)。
運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議模塊是把人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)整合的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，編碼的格式是十六進(jìn)制格式，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸之前加上數(shù)據(jù)指令頭，標(biāo)注指令傳輸長(zhǎng)度，中間就是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，最后有數(shù)據(jù)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束標(biāo)注。采用這個(gè)格式可以保證傳輸?shù)臒o(wú)誤性和實(shí)時(shí)性。
無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊I采用一個(gè)現(xiàn)有的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，具有發(fā)送和接收功能，該模塊采用XBee-PRO 900HP,設(shè)置了一塊XBEE-PRO 900HP的底板，底板也包含了電源穩(wěn)壓模塊，數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程中，為了防止處理器(CPU)對(duì)該模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)干擾，專門設(shè)置了一個(gè)射極跟隨器，從而隔離了處理器與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的串?dāng)_。
無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊2與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊I 一樣。
運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)解釋模塊根據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議格式，解釋每一個(gè)字段的具體含義，校驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性，如果校驗(yàn)后準(zhǔn)確，則把人體各個(gè)主要關(guān)節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化成ASCII碼。
上位機(jī)管理系統(tǒng)把人體的主要關(guān)節(jié)ASCII碼數(shù)據(jù)，虛擬重構(gòu)到上位機(jī)的人物上，并實(shí)時(shí)展示出運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。同時(shí)，設(shè)置傳感器靈敏度、發(fā)出關(guān)鍵部位安裝位置設(shè)定以及傳感器校準(zhǔn)的指令，并記錄運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的系統(tǒng)的工作過(guò)程是: 1、開(kāi)機(jī)，運(yùn)行上位機(jī)管理系統(tǒng)及相關(guān)程序； 2、分別將慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊安放在表演者身體上的各個(gè)關(guān)鍵部位，如 在人體的左踝、右踝、左膝、右膝、左手腕、右手腕、左肘、右肘、頸部和腰關(guān)節(jié)處，再將主控模塊安裝在演員身體的背部中心； 3、分別用USART雙向通信電纜將各慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊與主控模塊相連，然后開(kāi)啟主控模塊與上位機(jī)的無(wú)線連接； 4、表演者身體立正，全部打開(kāi)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)捕捉系統(tǒng)的電源，運(yùn)動(dòng)姿態(tài)捕捉系統(tǒng)開(kāi)始初始化，系統(tǒng)的指示燈開(kāi)始閃爍，上位機(jī)會(huì)源源不斷地接收到表演者動(dòng)作姿態(tài)的數(shù)據(jù)并保存下來(lái)，同時(shí)，虛擬人物動(dòng)作展示子系統(tǒng)就會(huì)顯示模擬的運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明的積極效果是: 1、本發(fā)明采用了ARM處理器技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，保證了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性； 2、該系統(tǒng)集成三軸磁場(chǎng)傳感器和六軸加速度與角速度的傳感器，使用慣性捷聯(lián)姿態(tài)解算，結(jié)合卡爾曼數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)融合算法，能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的三維立體測(cè)量，提供高精度姿態(tài)； 3、該系統(tǒng)采用60Hz數(shù)據(jù)的刷新速率，大幅地提高了動(dòng)畫的流暢性和逼真性； 4、該系統(tǒng)能自動(dòng)修正所采集的數(shù)據(jù)，具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，保證長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，保證了動(dòng)作姿態(tài)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。


圖1是本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)捕捉系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為上位機(jī)管理系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊通過(guò)USART通信電纜與主控模塊雙向連接，主控模塊與上位機(jī)無(wú)線雙向連接，電源管理模塊分別連接慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊和主控模塊。
慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊通過(guò)USART通信電纜連接主控模塊中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)集合以及節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理模塊和人體姿態(tài)數(shù)據(jù)整合模塊。
見(jiàn)圖2。慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊中，姿態(tài)測(cè)量中央處理器集成內(nèi)部FLASH參數(shù)讀取裝置、內(nèi)部參數(shù)校準(zhǔn)裝置、上位機(jī)指令讀取裝置、定時(shí)器、信號(hào)采集與濾波處理裝置、數(shù)據(jù)融合與姿態(tài)解算裝置、USART通信接口(雙向)，內(nèi)部FLASH參數(shù)讀取裝置依次連接著內(nèi)部參數(shù)校準(zhǔn)裝置、定時(shí)器、信號(hào)采集與濾波處理裝置、數(shù)據(jù)融合與姿態(tài)解算裝置、USART通信接口，USART通信接口之后的上位機(jī)指令讀取裝置接入內(nèi)部參數(shù)校準(zhǔn)裝置，三軸磁場(chǎng)傳感器、六軸加速度與角速度傳感器均接入姿態(tài)測(cè)量中央處理器的信號(hào)采集與濾波處理裝置。其中姿態(tài)解算采用慣性捷聯(lián)姿態(tài)解算，濾波處理采用卡爾曼濾波算法。
三軸磁場(chǎng)傳感器、六軸加速度與角速度傳感器均連接姿態(tài)測(cè)量中央處理器的A/D轉(zhuǎn)換接口。
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)集合以及節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理模塊之后連接節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合模塊，人體姿態(tài)數(shù)據(jù)整合模塊分別與節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合模塊、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議模塊雙向連接，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議模塊與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊I雙向連接。
上位機(jī)中與主控模塊無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊I無(wú)線雙向連接的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊2雙向連接運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)解釋模塊，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)解釋模塊與上位機(jī)管理系統(tǒng)雙向連接。
見(jiàn)圖3。上位機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)置上位機(jī)管理系統(tǒng)主界面及分別與之鏈接的如下五個(gè)子系統(tǒng): 關(guān)鍵部位安裝位置設(shè)定子系統(tǒng)——設(shè)定設(shè)定傳感器的安裝位置和方向； 傳感器校準(zhǔn)子系統(tǒng)——包括三軸磁場(chǎng)校準(zhǔn)和六軸加速度與角速度傳感器(三軸加速度計(jì)校準(zhǔn)、三軸陀螺儀校準(zhǔn))； 傳感器靈敏度設(shè)置子系統(tǒng)——包括三軸磁場(chǎng)靈敏度設(shè)置和六軸加速度與角速度傳感器(三軸加速度計(jì)靈敏度設(shè)置、三軸陀螺儀靈敏度設(shè)置)； 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)記錄子系統(tǒng)——存入硬盤； 虛擬人物動(dòng)作展示子系統(tǒng)。
本發(fā)明中，慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊的工作流程包括如下步驟: 1)開(kāi)始，姿態(tài)測(cè)量中央處理器上電開(kāi)始工作，啟動(dòng)看門狗復(fù)位系統(tǒng)； 2)系統(tǒng)準(zhǔn)備，內(nèi)部參數(shù)校準(zhǔn)參數(shù)讀取； 3)讀取上位機(jī)發(fā)出的陀螺初始化、磁場(chǎng)校準(zhǔn)的指令，以便于對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)； 4)讀取內(nèi)部FLASH校準(zhǔn)參數(shù)，采用出廠時(shí)默認(rèn)參數(shù)值進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算； 5)開(kāi)啟定時(shí)器中斷，啟動(dòng)ARM處理器內(nèi)部的系統(tǒng)中斷，進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)融合，姿態(tài)計(jì)算等工作； 6)信號(hào)采集以及濾波算法，根據(jù)各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的輸出特性，采用卡爾曼濾波技術(shù)進(jìn)行濾波； 7)數(shù)據(jù)融合與姿態(tài)解算，對(duì)六軸加速度與角速度的傳感器，三軸磁場(chǎng)傳感器采用四元素法求解姿態(tài)角； 8)將姿態(tài)角數(shù)據(jù)通過(guò)USART通信接口傳送到主控模塊。
本發(fā)明的電源管理模塊采用16V鋰電池供電，鋰電池的容量為4000毫安時(shí)，設(shè)置了開(kāi)關(guān)電源電路。
運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議模塊把人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)整合的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，編碼的格式是十六進(jìn)制格式，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸之前加上數(shù)據(jù)指令頭，標(biāo)注指令傳輸長(zhǎng)度，中間就是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，最后有數(shù)據(jù)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束標(biāo)注。采用這個(gè)格式可以保證傳輸?shù)臒o(wú)誤性和實(shí)時(shí)性。
無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊I采用一個(gè)現(xiàn)有的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，具有發(fā)送和接收功能，該模塊采用XBee-PRO 900HP,設(shè)置了一塊XBEE-PRO 900HP的底板，底板也包含了電源穩(wěn)壓模塊，數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程中，為了防止處理器(CPU)對(duì)該模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)干擾，專門設(shè)置了一個(gè)射極跟隨器，從而隔離了處理器與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的串?dāng)_。
無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊2與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊I 一樣。
運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)解釋模塊根據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議格式，解釋每一個(gè)字段的具體含義，校驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性，校驗(yàn)準(zhǔn)確后，則把人體各個(gè)主要關(guān)節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化成ASCII碼。
上位機(jī)管理系統(tǒng)把人體的主要關(guān)節(jié)ASCII碼數(shù)據(jù)，虛擬重構(gòu)到上位機(jī)的人物上，并實(shí)時(shí)展示出運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。
該系統(tǒng)采用60Hz數(shù)據(jù)的刷新速率。
本發(fā)明研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:同時(shí)對(duì)相同仿真步長(zhǎng)條件下，應(yīng)用以上方法在高動(dòng)態(tài)角運(yùn)動(dòng)環(huán)境下的解算精度高，由圓錐運(yùn)動(dòng)引起的俯仰角算法漂移誤差也得到了有效抑制。用最優(yōu)估計(jì)理論的數(shù)據(jù)處理方法和卡爾曼濾波器對(duì)速度信息進(jìn)行融合，保證了測(cè)量精度的精準(zhǔn)性和實(shí)時(shí)性。并且采用線性卡爾曼濾波器為慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差提供最小方差估計(jì)，然后利用這些誤差的估計(jì)值去修正姿態(tài)控制系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.運(yùn)動(dòng)姿態(tài)捕捉系統(tǒng)，包括多個(gè)測(cè)量運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的傳感器和用于處理姿態(tài)數(shù)據(jù)的上位機(jī)，其特征在于:慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊通過(guò)USART通信電纜與主控模塊雙向連接，主控模塊與上位機(jī)無(wú)線雙向連接，電源管理模塊分別連接慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊和主控模塊。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其特征在于:慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊通過(guò)USART通信電纜連接主控模塊中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)集合以及節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理模塊和人體姿態(tài)數(shù)據(jù)整合模塊。
3.根據(jù)權(quán)利I所述的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其特征在于:慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊中，姿態(tài)測(cè)量中央處理器集成內(nèi)部FLASH參數(shù)讀取裝置、內(nèi)部參數(shù)校準(zhǔn)裝置、上位機(jī)指令讀取裝置、定時(shí)器、信號(hào)采集與濾波處理裝置、數(shù)據(jù)融合與姿態(tài)解算裝置、USART雙向通信接口，內(nèi)部FLASH參數(shù)讀取裝置依次連接著內(nèi)部參數(shù)校準(zhǔn)裝置、定時(shí)器、信號(hào)采集與濾波處理裝置、數(shù)據(jù)融合與姿態(tài)解算裝置、USART雙向通信接口，USART雙向通信接口之后的上位機(jī)指令讀取裝置接入內(nèi)部參數(shù)校準(zhǔn)裝置，三軸磁場(chǎng)傳感器、六軸加速度與角速度傳感器均接入姿態(tài)測(cè)量中央處理器的信號(hào)采集與濾波處理裝置。
4.根據(jù)權(quán)利3所述的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其特征在于:三軸磁場(chǎng)傳感器、六軸加速度與角速度傳感器均連接姿態(tài)測(cè)量中央處理器的A/D轉(zhuǎn)換接口。
5.根據(jù)權(quán)利3所述的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其特征在于:所述姿態(tài)解算采用慣性捷聯(lián)姿態(tài)解算，所述濾波處理采用卡爾曼濾波算法。
6.根據(jù)權(quán)利I所述的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其特征在于:主控模塊中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)集合以及節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理模塊之后連接節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合模塊，人體姿態(tài)數(shù)據(jù)整合模塊分別與節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合模塊、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議模塊雙向連接，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議模塊與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊I雙向連接。
7.根據(jù)權(quán)利I所述的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其特征在于:上位機(jī)中與主控模塊無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊I無(wú)線雙向連接的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊2雙向連接運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)解釋模塊，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)解釋模塊與上位機(jī)管理系統(tǒng)雙向連接。
8.根據(jù)權(quán)利7所述的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，其特征在于:上位機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)置上位機(jī)管理系統(tǒng)主界面及分別與之鏈接的: 關(guān)鍵部位安裝位置設(shè)定子系統(tǒng)； 傳感器校準(zhǔn)子系統(tǒng)； 傳感器靈敏度設(shè)置子系統(tǒng)； 運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)記錄子系統(tǒng)； 虛擬人物動(dòng)作展示子系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)捕捉系統(tǒng)，包括多個(gè)測(cè)量運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的傳感器和用于處理姿態(tài)數(shù)據(jù)的上位機(jī)，其中慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊通過(guò)USART通信電纜與主控模塊雙向連接，主控模塊與上位機(jī)無(wú)線雙向連接，電源管理模塊分別連接慣性姿態(tài)測(cè)量傳感器模塊和主控模塊。該系統(tǒng)集成三軸磁場(chǎng)傳感器和六軸加速度與角速度的傳感器，使用慣性捷聯(lián)姿態(tài)解算，結(jié)合卡爾曼數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)融合算法，能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的三維立體測(cè)量，能自動(dòng)修正所采集的數(shù)據(jù)，可以不受環(huán)境因素的影響，能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)捕捉人、動(dòng)物和物體的動(dòng)作姿態(tài)，用戶可直接利用該系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)，制作效果更逼真的高質(zhì)量動(dòng)畫?？捎糜趧?dòng)漫、影視和游戲的角色模型等動(dòng)態(tài)仿真，以及人、動(dòng)物和物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的科學(xué)研究。
文檔編號(hào)G08C17/00GK103136912SQ201310068559
公開(kāi)日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2013年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月5日
發(fā)明者殷嚴(yán)剛, 何富運(yùn), 向汝宏, 李光健, 高世李, 楊雷 申請(qǐng)人:廣西師范大學(xué)